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变工况预紧力下主轴轴承服役性能预测研究

贺平平  
【摘要】:高速、高精密、高可靠性主轴是高速加工设备极端化发展的需求,而支撑元件轴承服役条件下的温升变化所导致转轴的热变形直接影响机床主轴的加工精度及寿命。主轴的智能化发展要求主轴在低速重载、中速中载、高速轻载的变工况下同时具有良好的动态性能和热特性。预紧力是影响轴承的刚度、寿命、温升等服役性能的关键。目前,主轴制造商提供的预紧方式和预紧力大小仅保证轴承在单一工况下有良好的服役性能。本论文在保证不同转速下轴承刚度、寿命等服役性能良好的前提下,提出通过主动调节预紧力实现主轴轴承温升变化控制的方法,具有运用灵活、成本低、主轴结构变动小的特点。针对此方法就高速角接触球轴承接触参数解析算法改进、变工况下轴承接触状态及性能、轴承热力耦合建模及预紧力优化等方面做了如下研究:(1)基于改进Newton-Raphson算法的角接触球轴承接触参数解析方法研究。基于Hertz接触理论,建立了高速角接触球轴承拟静力学模型,针对传统Newton-Raphson算法在求解高速角接触球轴承接触参数时出现初值难以确定、不易收敛等问题,在数值求解过程中引入中间变量,减少未知量数目,进行分步求解,使非线性方程组初值选取更为明确;将迭代修正因子引入改进Newton-Raphson算法,采用遗传搜索策略优化迭代修正因子,提高了求解准确性,缩短了收敛时间;通过矩阵变换,简化了雅克比矩阵的求解过程。与传统算法相比,改进的Newton-Raphson算法更简便更高效。采用改进算法分析了滚道椭圆化、外圈倾斜度和预紧机制对高速角接触球轴承接触参数非线性变化的影响规律。(2)变工况下轴承接触状态及服役性能研究。为进一步提高轴承力学模型的预测精度和鲁棒性,根据钢球和内滚道接触、非接触状态下的受力特点构建轴承统一的力学模型,揭示径向力、预紧力和转速对和内滚道相接触的钢球数目变化的影响规律;建立轴承刚度和寿命的数学描述,探明接触状态变化下轴承动态刚度、寿命的变化规律;基于球和滚道接触的运动学特性,分析轴承摩擦生热机理,建立轴承局部摩擦生热解析方程,量化不同工况下轴承的生热量。研究结果表明,较大的径向力、较小的预紧力及过高转速使部分球和内滚道分离;随着预紧力的增加,接触球数量增加,使轴承径向刚度发生突变,轴承寿命呈现先增大后减小的趋势;预紧力和转速的增加导致轴承生热量增大。因此,合适的预紧力可以使轴承获得良好的服役性能。(3)多因素影响下轴承热力耦合建模研究。针对运行状态下轴承热、力相互耦合的特点,基于拟静力学理论,考虑离心效应和热效应建立多因素影响下定位预紧轴承的热力耦合修正模型,采用热网络模型求解轴承的温度场,实现对轴承动态参数的识别,探明轴承结构尺寸、接触参数与温升之间的耦合关系,揭示预紧力、转速等各项因素对轴承温升的影响规律。定位预紧下轴承的温升试验结果表明,提出的模型有良好的精度和可靠性,文中的方法能有效获取不同工况下轴承的温度场。(4)轴承预紧力优化研究。针对生产实际中主轴需满足低速重载、高速轻载等多工况加工需求,而主轴轴承预先设定预紧力无法满足变工况下轴承服役性能的综合需求问题,提出不同转速下以刚度、寿命、温升为约束条件的轴承预紧力优化策略。为保证不同转速下轴承的刚度、寿命和温升数据的等效性和同序性,对各类数据进行了归一化处理,采用多项式拟合和幂函数拟合方法描述轴承刚度、寿命和温升的归一化数据曲线,基于多目标优化理论,根据功效系数法建立了预紧力的优化模型,设计了可调的预紧力加载装置及轴承预紧力、温升测试平台。仿真和试验结果表明,优化后的预紧力既可满足不同转速下轴承刚度、寿命的综合要求,也保证了轴承温升变化在合适范围内。提出的方法为变工况下主轴轴承的预紧力优化提供了理论指导,为后续主轴轴承温升控制研究提供了思路,具有参考和借鉴意义。


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